Comparação entre sistemas MIMO e SISO para cobertura LTE em ambientes Indoor

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1 III SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE 2015 Comparação entre sistemas MIMO e SISO para cobertura LTE em ambientes Indoor Fernando Lopes Cavalcanti Sales 1, Daniel Andrade Nunes 2 Abstract The use of MIMO and SISO techniques in LTE technology, aiming among other applications increased throughput, will be addressed in this document so that based on the results of field testing, we can assess the best option for each application scenario, as for example, an indoor environment. Index Terms MIMO, SISO, Indoor coverage, LTE, RSRQ, enodeb. Resumo O uso das técnicas MIMO e SISO na tecnologia LTE, visando entre outras aplicações o aumento de taxa de transferência, serão abordados neste documento de modo que com base nos resultados dos testes de campo, possamos avaliar a melhor opção para cada cenário de aplicação num ambiente indoor. Palavras chave MIMO, SISO, cobertura de interiores, LTE, RSRQ, enodeb. I. INTRODUÇÃO Com a chegada da tecnologia LTE e a crescente demanda por taxas de transferência cada vez maiores (por exemplo, com vídeos e jogos), especialmente nos ambientes confinados, têm-se algumas soluções para incremento destas taxas, dentre as quais se destacam o uso do MIMO e do SISO que possuem específicas relações custo e benefício que serão detalhadas neste trabalho. Na implementação de um sistema indoor a escolha da solução por um sistema SISO ou MIMO, depende do objetivo da operadora, que pode ser de maior capacidade de rede, necessidade de uma cobertura Premium, e dos custos que implicam na decisão de cada solução. O ambiente indoor dificulta a apuração de ganhos teóricos de qualquer técnica MIMO aplicada no aumento da taxa de transferência de DL (Dowlink) ou UL (Uplink) devido à ocorrência de propagação em multipercursos e por não ter modelo de predição de cobertura específico, pois os modelos empíricos existentes nem sempre condizem com o cenário de onde o projeto indoor é instalado e de como é desenhado, ativo ou passivo, levando assim a possíveis distorções nas avaliações. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. MSc. Daniel Andrade Nunes. Trabalho aprovado em 08/2015. Os testes executados e descritos neste trabalho foram feitos considerando dois cenários de cobertura e qualidade (piores e melhores condições). O ambiente escolhido trata-se de um shopping de médio porte onde todo o sistema indoor é puramente passivo, ou seja, composto por cabos coaxiais, divisores, combinadores e antenas, logo não há inserção de nenhum elemento amplificador entre o equipamento enodeb da operadora e as antenas que irradiam os sinais. Neste sistema houve a duplicação de todos os elementos implementados para uso da técnica MIMO, ou seja, foram implementados dois sistemas em paralelo, de modo a terem-se duas antenas por ponto de irradiação recebendo sinal por cabos/sistemas diferentes. Num sistema SISO tradicional temos o uso de somente uma malha de cabos e consequentemente uma antena por ponto de irradiação do sinal. As medições foram feitas considerando-se sempre o mesmo horário de circulação de pessoas e tráfego de modo que a comparação possa ser feita sem nenhuma variante diferente, somente as técnicas aplicadas. II. DISPOSIÇÕES GERAIS A decisão de implementação de um sistema indoor para a tecnologia LTE com uso ou não do MIMO gera grande discussão no ambiente das operadoras, uma vez que os ganhos relacionados nem sempre são correlacionados com os custos envolvidos no processo de implementação de cada técnica, assim não se tem uma clara relação custo versus benefício para o processo de tomada de decisão. Projetos de pequeno e médio porte (pequenos e médios shoppings, centros comerciais) costumam ter o sistema irradiante feito considerando puramente elementos passivos, ou seja, uso de cabos coaxiais, combinadores e antenas fazendo-se a distribuição do sinal LTE pelo ambiente a ser coberto, ou seja, só temos a enodeb da operadora irradiando o sinal para o sistema coaxial em questão. Para este tipo de projeto, o impacto na decisão de uso da técnica MIMO implica na duplicação de todo sistema irradiante, ou seja, dos cabos, antenas e combinadores. Os custos na implementação do MIMO, na teoria, seriam duplicados, pois seriam necessárias duas malhas de cabos coaxiais, o dobro de elementos combinadores e de antenas, mas por dados reais ficam em torno de 1.6 vezes do custo de

2 um projeto SISO, pois se tem o reuso de parte da infraestrutura que seria preparada para um sistema SISO aproveitada para um sistema MIMO, como por exemplo, as eletrocalhas por onde os cabos coaxiais são implementados. Uma referência aos valores acima seria o próprio investimento do empreendimento onde os testes ocorreram. Neste caso, se estimou um custo de aproximadamente R$ ,00 para uma solução SISO e com a duplicação dos cabos, antenas, combinadores chegou-se a um valor de R$ ,00 para a solução MIMO. Para projetos de grande porte, onde não se aplica somente a utilização de elementos passivos devido à potência a ser irradiada em cada antena, devido às longas distâncias não ser suficiente, são utilizados outros elementos ativos, que atuam como amplificadores de sinal, fazendo assim que o investimento com cabos coaxiais e combinadores seja muito reduzido. Pois com a distribuição dos pontos ativos (que passaram as ser os elementos ativos e não mais os equipamentos das Operadoras, enodeb) têm-se sempre estes equipamentos ativos ao lado das antenas, tendo assim a redução do uso de cabos e combinadores. Um projeto chamado ativo dá-se pela combinação dos sinais das operadoras, para o caso de um projeto conjunto, num único ponto, muitas vezes chamado de Hotel de BTS, neste ponto há a conversão elétrico-ótica e daí até os elementos ativos são passadas fibras óticas, o que reduz e muito o custo da instalação desta parte do sistema, pois a passagem de uma fibra é muito mais simples e barata do que de um cabo coaxial que tem peso, custo e complexidade maiores. Nos elementos ativos tem-se novamente a conversão, só que desta vez ótico-elétricas, após isto ocorre a amplificação dos sinais e deste ponto em diante se tem a passagem de cabos coaxiais até os combinadores e as antenas, ou seja, o uso de cabos coaxiais e combinadores neste sistema ativo é muito reduzido. Assim, neste caso, o uso das técnicas MIMO implicaria na duplicação de parte dos elementos ativos, somente as cabeças de rádio (remotas) e da pequena quantidade de cabos coaxiais, combinadores e antenas empregadas neste tipo de sistema. Assim, o uso das técnicas MIMO, implica em uma alteração percentual de custos um pouco menor do que nos projetos puramente coaxiais, ficando na ordem de 1.3 vezes, de acordo com os orçamentos dos projetos apresentados neste trabalho. III. O SISTEMA MIMO Dados teóricos da técnica MIMO mostram ganhos na taxa de transferência de DL (Downlink) ou UL (Uplink) da ordem de duas vezes em relação ao uso da técnica SISO, dependendo diretamente da relação sinal ruído. Será mostrado neste trabalho como se comportam os principais indicadores de desempenho em medições práticas efetuadas em campo, num ambiente indoor de média densidade de tráfego. A Figura 1 [2] mostra a relação entre taxa de transferência e a relação sinal-ruído para as técnicas de transmissão SISO e MIMO, onde a variável M é a quantidade de antenas que irradiam o sinal no sistema, ou seja, M=1 sistema SISO, M=2 MIMO 2x2 e M=4 sendo o MIMO 4x4. Fig. 1. Dados teóricos de ganho de taxa de transferência com uso da técnica MIMO. O uso das técnicas MIMO vai além de ganhos proporcionados no domínio do tempo e da freqüência, pois além de ajudar a superar as deficiências do canal sem fio, traz ganhos de dimensão espacial, estas ocasionadas pelo uso de múltiplas antenas utilizadas no receptor no transmissor. A diversidade espacial propiciada pelo uso das técnicas MIMO traz a possibilidade de uma utilização mais agressiva de reuso de frequência, garantindo um ganho de capacidade à rede celular envolvida. O diagrama básico de funcionamento de um sistema MIMO é basicamente composto de cinco ações, que são as etapas de codificação, entrelaçamento, mapeamento de símbolos, codificação espaço-temporal e transmissão do sinal. Na recepção é feito o processo reverso. Várias literaturas, tais como [1] e [2], tratam de como cada etapa é realizada mostrando matematicamente cada uma delas. O objetivo deste trabalho limita-se a apresentar dados práticos e fazer um breve comparativo do uso das técnicas de MIMO e SISO de modo a embasar a decisão técnica dos projetistas de ambientes indoor, e sendo assim não será feito o detalhamento teórico das técnicas MIMO. Os principais benefícios do uso do MIMO são ganho de arranjo, ganho por diversidade espacial, ganho de multiplexação espacial e redução de interferência, detalhados em [2] e descritos resumidamente abaixo: A. Ganho de arranjo O ganho de arranjo é um incremento na relação sinal-ruído (SNR) ocasionado pelo efeito da combinação coerente na recepção dos sinais que chegam ao receptor. B. Ganho por Diversidade Espacial O sinal transmitido, até chegar ao receptor, é afetado por uma série de fatores dentre os quais se destacam a flutuação do nível de potência e o desvanecimento do sinal recebido, que pode ser provocado pelas obstruções existentes no meio, afetando assim a potência média do sinal recebido ou provocado pelos multipercursos existentes no meio fazendo assim que haja flutuação no nível de potência do sinal recebido.

3 A diversidade espacial aumenta a probabilidade de regeneração do sinal na recepção, uma vez que provê cópias espaciais, temporais e em frequência dos sinais transmitidos. Com várias cópias do sinal transmitido chegando ao receptor, sinais descorrelacionados, aumenta-se a probabilidade que este consiga regenerar pelo menos uma ou mais delas, trazendo assim aumento de qualidade e confiabilidade na recepção destes sinais. C. Ganho de Multiplexação Traz um ganho linear de taxa de transferência de DL (downlink) e UL (uplink) usando múltiplos e independentes sinais na mesma banda de operação. A idéia básica é usar sinais diferentes, dois ou mais, que chegam ao receptor e tenham níveis semelhantes de qualidade, RSRQ (Reference Signal Received Quality), para prover dentre outros fatores o ganho de taxa de transferência. Este tipo de solução possibilita aumento de taxa de transferência, mas também impossibilita os ganhos relacionados com a diversidade espacial, uma vez que os sinais irradiados são diferentes na multiplexação espacial, e a diversidade espacial necessita que os sinais sejam iguais. A multiplexação espacial utiliza somente os melhores e semelhantes caminhos/sinais usando-se o índice de qualidade (RSRQ) como base, ou seja, para um sistema com LTE release 8, rede e terminais fazem uso da técnica MIMO 2x2, que significa uso dos 2 melhores sinais de transmissão e 2 melhores sinais de recepção para aumento de taxa de transferência de DL e UL, que para este caso será o dobro do que num sistema com somente 1 sinal na recepção e 1 sinal na transmissão. Basicamente, o ganho de multiplexação traz um aumento de vazão da rede sem fio uma vez que aumenta a taxa média de transferência do usuário fazendo uso de dois sinais independentes transmitidos para o mesmo usuário D. Redução de Interferência Utilizando-se a técnica de beamforming, ou seja, fazendo o direcionamento de mais potência para o usuário que a demanda, e reduzindo para os demais usuários, provoca-se a redução de interferência entre os usuários de uma mesma célula onde se emprega MIMO e controle de potência. Com o uso das técnicas combinadas, é possível um incremento de capacidade e qualidade da rede celular. Assim, baseado nos ganhos teóricos do uso das técnicas MIMO, foram feitos testes para efeito comparativo com a técnica SISO, num ambiente indoor onde há uma probabilidade maior de ocorrência de propagação por multipercurso quando comparado com um ambiente outdoor. Basicamente, as medidas deste teste foram feitas considerando-se cenários de melhor cobertura, sinal-ruído e pior cobertura, sinal-ruído, usando em cada uma delas as técnicas SISO e MIMO, de modo a identificar qual impacto causado pelas técnicas na taxa de transferência de DL e UL dos usuários, na medida de latência da rede e nos próprios indicadores de cobertura e qualidade (RSRP e SINR). IV. CENÁRIOS DE TESTES Foram montados dois cenários de testes conforme descrito a seguir: A. Setor indoor configurado como MIMO com dois sinais de transmissão diferentes (2Tx), dois sinais de recepção diferentes (2Rx) e piloto padrão LTE (RS Reference Signal) de 18,2 dbm. Uso da técnica de multiplexação espacial destes diferentes sinais para o mesmo usuário, com objetivo de verificar o ganho de aumento de taxa de transferência desta técnica além dos demais indicadores. Para envio dos sinais da enodeb ao sistema irradiante do sistema indoor, foi feito uso de dois cabos coaxiais saindo da enodeb (2Tx/2Rx) e conectando ao combinador geral do sistema irradiante, de onde saem também dois cabos para as duas malhas de cabos coaxiais e elementos passivos, que compõem o sistema MIMO. B. Setor indoor configurado como SISO com um sinal de transmissão (1 Tx), sem diversidade de transmissão, dois sinais de recepção (2Rx) e piloto padrão LTE de 18,2 dbm. Para envio dos sinais da enodeb ao sistema irradiante do sistema indoor, foi feito uso de dois cabos coaxiais saindo da enodeb(1tx/2rx) e conectando ao combinador geral do sistema irradiante, de onde sai um cabo para uma das malhas de cabos coaxiais e elementos passivos que compõem o sistema SISO. Para análise dos dois cenários foram efetuadas as seguintes coletas de dados para cada um deles: Taxa de transferência de descida (Throughput Downlink), Taxa de transferência de subida (Throughput Uplink), níveis de cobertura (RSRP - Reference Signal Received Power) e interferência (SINR - signal-to-noise-plus-interference ratio) e teste de ping, para verificação da latência da rede, sendo está definida como o tempo de resposta da rede a uma requisição do usuário, como por exemplo, acesso a uma página da Internet. Excluindo os testes de cobertura, que foram feitos em movimento, cada teste foi executado em pontos estáticos e considerando duas condições de radiofrequência diferentes: Níveis médios e níveis bons de RSRP e SINR: Níveis médios RSRP: -90 dbm Níveis médios SINR: 8 db Níveis bons RSPR: - 80 dbm Níveis bons SINR: 15 db Para medições de taxa de transferência (Throughput), foram usados arquivos (200Mbytes) de transferência para DL e UL empregando o protocolo de transferência de arquivos FTP (File Transfer Protocol). Os testes foram feitos em horário de tráfego reduzido e replicados para os 2 cenários envolvidos (SISO e MIMO), logo tráfego e quantidade de pessoas no empreendimento não foram fatores que influenciaram o comparativo. O sistema indoor implementado no shopping é compartilhado entre quatro operadoras com uso de combinador de múltiplas frequências e tecnologias. V. DADOS COLETADOS NOS TESTES Para a coleta dos dados e processamento dos mesmos, foi usada a ferramenta TEMS Investigation, que tem funções de

4 verificação, otimização e manutenção de redes sem fio. O TEMS Investigation suporta todas as principais tecnologias, como por exemplo GSM, WCDMA e LTE, tornando-se uma importante ferramenta de teste em todas as fases do ciclo de vida da rede. Uma equipe de testes de campo ficou responsável por todas as coletas e aferição dos dados durante o processo. Após a coleta de todos os dados, foi feito o pós-processamento dos mesmos para que enfim a análise técnica pudesse ser feita. Os testes foram feitos somente no térreo do empreendimento citado pois o cenário vale para todos os demais andares do mesmo. Para cada cenário montado, foram efetuadas as medições e coletados os resultados que serão mostrados a seguir: A. Setor configurado como MIMO com piloto padrão LTE RS de 18,2 dbm Com o uso da solução de MIMO com piloto padrão de 18,2 dbm, foram encontrados bons resultados para RSRP e SINR nas áreas onde os testes foram efetuados, assim mostrando que o uso da técnica MIMO além de ganhos de taxas de transferências de DL e UL pode trazer ganhos de cobertura e redução de interferência. Medidas de RSRP em chamada ativa mostram dados bons durante toda extensão dos testes, conforme as Figuras 2 e 3 mostram. médias (-90dBm) e bons (-80dBm), mostram que as medidas de SINR variam conforme medições de RSRP, ou seja, onde se tem melhor condição de sinal têm-se as melhores condições de interferência, conforme mostram as Figuras 4, 5, 6 e 7, as quais trazem a quantidade de amostras dos sinais medidos com valores de RSRP e SINR dentro dos limites determinados. As medições de PING foram realizadas de modo a verificar se haveria influência direta entre uso da solução MIMO ou SISO nos valores de latência. Os testes de PING foram executados de um telefone celular LTE release 8 para o servidor de DL e UL de dados no qual os demais testes foram executados, com isso foi possível apurar qual a latência para envio de PING de 32bytes nesta rede. Fig. 2. Medições de RSRP em modo conectado Os testes de SINR em modo conectado mostram que a maior parte das medidas estão em valores melhores que 25dB, que é um valor muito bom para um sistema LTE onde considera-se como valor típico maior que 8dB [1]. O teste dito como chamada ativa ou modo conectado são os quais as medições são feitas pelo terminal durante uma chamada de dados, ou seja, o terminal está com uma conexão de dados ativa. O percentual de amostras de RSRP e SINR, quando efetuadas as chamadas estáticas nas áreas definidas como Fig. 3. Medições de SINR em modo conectado As medidas de PING dentro dos valores de RSRP e SINR selecionados para o teste mostraram que para este cenário não há influência direta entre nível de cobertura e latência da rede: 42.8 ms em -90dBm e 43.3 ms em -80dBm, conforme as Figuras 8 e 9 mostram (Na teoria, poderia haver uma variação nesta medida de latência da rede uma vez que em condições de cobertura e qualidade ruins há probabilidade de aumento de retransmissões devido perda de pacotes, ou seja, a diferença entre os níveis de cobertura deveria ser maior de modo que a influência pudesse ser avaliada). As medições de taxa de transferência em diferentes níveis de RSRP (Níveis médios e bons) mostram que há influência direta nos resultados. Dados teóricos mostram que quanto melhor a distribuição de potência entre os usuários do sistema, que é o que o RSRP mede, maior pode ser a taxa de transferência de um usuário devido a esta melhor distribuição de potência entre os usuários no mesmo sistema. As medições de taxa de transferência de DL em níveis de RSRP de -90 dbm mostram que 47% das amostras ficaram entre 10Mbps e 15Mbps e 13.5% entre 15Mbps e 20Mbps, conforme ilustrado na Figura 10.

5 Fig. 4. Percentual de amostras RSRP dentro do limite de RSRP de -90 dbm (nível médio) Fig. 5. Percentual de amostras SINR dentro do limite de RSRP de -90 dbm (nível médio)

6 Já as medições de taxa de transferência de DL em níveis de RSRP de -80 dbm mostram que 84% das amostras ficaram entre 10Mbps e 15Mbps e apenas 6.3% entre 15Mbps e 20Mbps, conforme mostrado na Figura 11. A razão pela qual as taxas de pico de DL mais elevadas não foram encontradas, nas medidas efetuadas, será detalhada no decorrer do trabalho. As medidas de taxa de transferência de UL mostram que com níveis de RSRP de -90dBm temos 41.7% com taxas entre 35Mbps e 40Mbps e 31.7% com taxas entre 40Mbps e 45Mbps, conforme mostrado na Figura 12. Para medidas de transferência de subida (UL) mostrou-se que com níveis de RSRP de -80dBm tem-se 22.5% com taxas entre 35Mbps e 40Mbps e 53.4% com taxas entre 40Mbps e 45Mbps, conforme mostrado na Figura 13, dados de taxa de pico de UL que eram esperados conforme dados teóricos da técnica MIMO aplicada. Para os testes com taxa de transferência de pico de DL, foi aberta investigação, interna na Operadora, para avaliação de qual seria o limitante na rede que fez com que as taxas máximas coletadas nos testes não fossem alcançadas, conforme esperado pelos dados teóricos e pela técnica MIMO aplicada. Para o cenário de medidas de taxa de transferência de UL o comportamento e medidas foram os esperados, pelos dados teóricos, onde foram encontradas as maiores taxas de pico para locais com melhor qualidade de cobertura (RSRP) e de interferência (SINR) [1]. Fig. 6. Percentual de amostras RSRP dentro do limite de RSRP de -80 dbm (nível bom) Após as investigações efetuadas pela Operadora, ficou constatado que as medidas de pico da taxa de DL não mostraram o que era esperado, pelos dados teóricos, devido às limitações encontradas no servidor de Download, pois o servidor é utilizado pela Operadora para inúmeras atividades de testes (havia atividades de download sendo efetuadas, por outras equipes, em paralelo aos testes que este documento trata) e não poderia ser isolado para o teste a qual se refere este documento. Este fato não inviabiliza os testes, pois apenas não foram conseguidas taxas maiores de pico de DL conforme a tecnologia oferece, mas os demais comportamentos e medidas conseguiram ser mostrados, refletindo assim a influência de cada cenário de cobertura apresentado. Já as medidas de pico da taxa de UL apresentadas refletiram o esperado da técnica MIMO utilizada, pelos dados teóricos, conforme dados apresentados neste trabalho. Os resultados das medidas de taxa média de DL e UL refletiram o esperado, pelos dados teóricos, sendo encontrados maiores taxas para os pontos com melhores condições e níveis de RSRP e SINR [1], isto durante todos os testes efetuados, analisados e apresentados no decorrer deste trabalho.

7 Fig. 7. Percentual de amostras SINR dentro do limite de RSRP de -80 dbm (nível bom) Fig. 8. Valores de PING encontrados em medições estáticas e RSRP de -90 dbm (nível médio)

8 Fig. 9. Valores de PING encontrados em medições estáticas e RSRP de -80 dbm (nível bom) Fig. 10. Percentual de amostras de taxa de transferência de descida (DL) com FTP de arquivo de 200Mb com limite de -90dBm

9 Fig. 11. Percentual de amostras de taxa de transferência de descida (DL) com FTP de arquivo de 200Mb com limite de -80dBm Fig. 12. Percentual de amostras de taxa de transferência de subida (UL) com FTP de arquivo de 200Mb com limite de -90dBm

10 Fig. 13. Percentual de amostras de taxa de transferência de subida (UL) com FTP de arquivo de 200Mb com limite de -80dBm B. Setor configurado como SISO e sem diversidade de RX com piloto padrão LTE de 18,2 dbm Com o uso da solução de SISO com piloto padrão (18,2 dbm) foram encontrados bons valores de RSRP e SINR nas áreas onde os testes foram efetuados, mas valores inferiores aos encontrados quando na utilização da técnica MIMO como mostrado no cenário A e detalhado nas páginas anteriores. A Figura 14 mostra que as Medidas de RSRP em chamada ativa possuem bons valores durante toda extensão dos testes, estes que conforme já mencionado foram executados somente no andar térreo do empreendimento, pois todos os demais andares refletiam os mesmos cenários de cobertura e qualidade. Já a Figura 15 mostra que os testes de SINR em modo conectado apresentam medidas cujos valores são melhores do que 25dB, que é um valor muito bom para um sistema LTE onde se considera como valor bom típico maior que 8dB [1]. O percentual de amostras de RSRP e SINR, quando efetuadas as chamadas estáticas nas áreas definidas como médias (-90dBm) e boas (-80dBm), mostra que as medidas de SINR variam conforme medições de RSRP, ou seja, onde se tem melhor condição de sinal têm-se as melhores condições de interferência, conforme mostram as Figuras 16, 17, 18 e 19, as quais trazem a quantidade de amostras dos sinais medidos com valores de RSRP e SINR dentro dos limites determinados e mostrados nas próprias figuras. Fig. 14. Medições de RSRP em modo conectado

11 As medições de taxa de transferência em diferentes níveis de RSRP (Níveis médios e bons) mostram que há influência direta nos resultados conforme dados apresentados neste documento. As medições de taxa de transferência de DL em níveis de RSRP de -90 dbm mostram que 90.9% das amostras ficaram entre 5Mbps e 10Mbps e somente 7.8% acima de 10Mbps, como mostrado na Figura 22. Já as medições de taxa de transferência de descida (DL) em níveis de RSRP de -80 dbm mostram que 66.9% com taxas entre 5Mbps e 10Mbps e 21.7% com taxas maiores que 10Mbps, como ilustrado na Figura 23. A razão pela qual as taxas de pico de DL mais elevadas não foram encontradas, nas medidas efetuadas, será detalhada no decorrer do trabalho. As medidas de transferência de UL mostram que com níveis de RSRP de -90dBm temos 33.2% com taxas entre 20Mbps e 25Mbps e 30.4% com taxas maiores que 25Mbps, como mostrado na Figura 24. Fig. 15. Medições de SINR em modo conectado Fig. 16. Percentual de amostras RSRP dentro do limite de RSRP de -90 dbm (nível médio) Para medidas de transferência de UL mostram que com níveis de RSRP de -80dBm temos 33.9% com taxas entre 35Mbps e 40Mbps e 58.2% com taxas maiores que 40Mbps, como mostrado na Figura 25. Dados de taxa e pico que eram esperados conforme dados teóricos da técnica MIMO. Para os testes de taxa de transferência de DL foi aberta investigação para avaliação de qual seria a limitação na rede que fez com que as taxas máximas não fossem alcançadas conforme esperado pelos dados teóricos. Para o cenário de UL o comportamento e taxas foram os esperados onde tivemos as maiores taxas para locais com melhor qualidade de cobertura e de interferência.

12 . Fig. 17. Percentual de amostras SINR dentro do limite de RSRP de -90 dbm (nível médio) Fig. 18. Percentual de amostras SINR dentro do limite de RSRP de -80 dbm (nível bom)

13 Após investigações, e como já dito anteriormente, foi constatado que as medidas de pico da taxa de DL não mostraram o que era esperado, pela teoria, devido às limitações encontradas no servidor de Download, pois o servidor é utilizado pela operadora para inúmeras atividades de testes (havia atividades de download sendo efetuadas, por outras equipes, em paralelo aos testes que este documento trata) e não poderia ser isolado para o teste o qual se refere este documento. Este fato não inviabiliza os testes, pois apenas não foram conseguidas taxas maiores de pico conforme a tecnologia oferece, mas os demais comportamentos e medidas conseguiram ser mostrados refletindo a influência de cada cenário de cobertura apresentado. Já as medidas de pico das taxas de UL não foram influenciadas pelo uso do servidor, pois não havia limitações neste sentido da rede. Fig. 19. Percentual de amostras RSRP dentro do limite de RSRP de -80 dbm (nível bom) Novamente as medições de PING foram realizadas de modo a verificar se haveria influência direta entre uso das soluções MIMO ou SISO nos valores de latência de rede da tecnologia LTE. Os testes de PING foram executados de um telefone celular LTE release 8 para o servidor de DL e UL de dados no qual os demais testes foram executados, com isso foi possível apurar qual a latência para envio de PING de 32bytes nesta rede. As medições de PING mostraram, neste cenário, não haver influência direta entre nível de cobertura e latência da rede: 46 ms em -90dBm e 57.5 ms em -80dBm (neste caso para os valores de -80dBm eram esperados melhores valores de PING, mas não foi o encontrado, problema que será explicado neste trabalho). Na teoria, poderia haver uma variação maior nesta medida de latência de rede, uma vez que em condições ruins de cobertura e qualidade há probabilidade de aumento de retransmissões devido à perda de pacotes, ou seja, a diferença entre os níveis de cobertura em que os testes se basearam deveria ser maior de modo que esta influência na latência pudesse ser avaliada nos testes. Na análise técnica das medições de PING foi constatada que no momento do testes de nível de cobertura de -80dBm, o tráfego cursado era maior que no momento dos testes com nível de cobertura de -90dBm, assim este fato poderia explicar os piores valores de PING para um cenário de cobertura melhor, conforme mostrado nas Figuras 20 e 21.

14 Fig. 20. Valores de PING encontrados em medições estáticas e RSRP de -90 dbm (nível médio) Fig. 21. Valores de PING encontrados em medições estáticas e RSRP de -80 dbm (nível bom)

15 Fig. 22. Percentual de amostras de taxa de transferência de descida (DL) com FTP de arquivo de 200Mb com limite de -90dBm Fig. 23. Percentual de amostras de taxa de transferência de descida (DL) com FTP de arquivo de 200Mb com limite de -80dBm

16 Fig. 24. Percentual de amostras de taxa de transferência de subida (UL) com FTP de arquivo de 200Mb com limite de -90dBm Fig. 25. Percentual de amostras de taxa de transferência de subida (UL) com FTP de arquivo de 200Mb com limite de -80dBm

17 VI. COMPARATIVOS DAS SOLUÇÕES TESTADAS Após realização dos cenários e testes envolvidos tem-se um quadro comparativo o qual mostra as vantagens e desvantagens de cada solução, podendo assim ser usado como base no processo de decisão de desenho e configuração de um projeto indoor. Os dados encontrados mostram que com melhores níveis de cobertura e de interferência, têm-se melhores taxas de transferência de DL e UL. Isto deixa clara a importância de se ter projetos dedicados indoor em localidades com alto potencial de tráfego, pois sem uma cobertura dedicada os valores de taxa de transferência de DL e UL não atingem aos valores teóricos máximos, ou seja, tendo capacidade de rede reduzida e não garantindo aos clientes uma boa experiência de uso da tecnologia LTE. A solução do cenário um, MIMO com piloto LTE padrão (18,2 dbm), apresentou os melhores resultados de cobertura e níveis de interferência sendo assim indicada para caso onde uma cobertura Premium é desejada, como por exemplo, para um grande cliente corporativo. O cenário de uso SISO não apresentou desempenho de RSRP e SINR tão bons quanto a MIMO, mas ainda dentro de níveis considerados bons para um ambiente LTE indoor, sendo então indicado para cenários de médio e pequeno fluxo de pessoas e consequentemente tráfego reduzido. Num sistema com menor tráfego ter-se-ia uma menor quantidade de interferência no sistema, pois teríamos menos usuários conectados no mesmo, gerando assim uma menor quantidade de interferência, fazendo com que cada usuário que esteja nesta rede possa fazer uso de maiores taxas de pico mesmo tratando-se de um sistema SISO. A cada usuário adicional na rede, tem-se um acréscimo de interferência que depende da potência utilizada por cada um deles, ou seja, num sistema com menor quantidade de usuários temos uma condição de interferência menor e consequentemente obtém-se taxas maiores [1]. Com relação aos testes das taxas de transferência de DL, os cenários apresentaram taxas de pico fora do esperado, assim foi aberta investigação para verificação do problema sendo constatado se tratar de uma limitação de tráfego de download do servidor utilizado para os testes. Foi sugerida a área responsável pelo servidor fazer upgrade do mesmo, de modo que os próximos testes possam refletir o cenário esperado como uma maior taxa de pico de DL. A solução MIMO apresentou em média um desempenho de taxa de DL de pico 40% melhor que a solução SISO, nas taxas médias a diferença foi de 31% a favor do MIMO. No caso dos testes de taxa de UL o desempenho de pico da solução MIMO foi até 9% melhor que a solução SISO, para as taxas médias a diferença foi de 40% em favor do MIMO, mostrando assim o ganho de capacidade que a técnica MIMO traz a rede celular. As taxas de pico DL (40%) e UL(9%) quando comparadas mostram uma grande diferença entre as soluções MIMO e SISO mostrando assim uma melhor experiência para o usuário da rede com MIMO no DL em relação ao da rede SISO no DL, para o UL esta experiência de taxa de pico foi muito semelhante entre as duas soluções. Nos ganhos de taxas média de DL e UL, a relação praticamente se manteve, mostrando assim que tem-se um incremento de capacidade similar no DL e UL uma vez que o ganho de 40% se mantém estável durante a média das amostragens. A Figura 26 mostra os dados gerais medidos nos testes, dentro do quais temos o PING que nas soluções e em cenários de cobertura diferentes, os quais mostraram que a influência do uso ou não de diversidade de Tx/Rx, afeta pouco este indicador de qualidade, isto dentro dos valores de cobertura testados. Na teoria, poderia haver uma variação nesta medida de latência da rede uma vez que em condições de cobertura ruins há probabilidade de aumento de retransmissões devido perda de pacotes. Fig. 26. Quadro comparativo das medições de cada cenário testado

18 VII. CONCLUSÕES A proposta do trabalho foi coletar dados de taxas de DL e UL, medidas de PING e medições de RSRP e SINR a fim de concluir qual seria a melhor solução para ambientes indoor tendo a melhor relação custo versus benefício, para que, com base nestes testes, os projetistas pudessem escolher a solução mais adequada para cada tipo de ambiente, baseado em dados reais de campo. Pelos resultados dos testes realizados ficou claro que a solução MIMO (cenário 1) possui performance melhor em praticamente todos os indicadores apresentados neste material (medidas de cobertura, qualidade de sinal, taxa de transferência de DL e taxa de transferência de UL) que a solução SISO (cenário 2), sendo assim indicado para soluções que necessitem de alta performance (cobertura e qualidade) e alta capacidade. Os ganhos de desempenho médios pelo uso da técnica MIMO em relação à técnica SISO foram de 40%, focando mais em ganho de taxa de transferência (aumento de capacidade de rede). Os testes efetuados não mostraram a diferença na latência em diferentes cenários de cobertura e interferência, pois o método de aferição utilizado não incluiu os atrasos devidos as retransmissões. A influência do PING pode ocorrer devido a condições muito ruins de cobertura ou qualidade, de modo que possa haver perdas de pacotes fazendo assim existir retransmissões na rede aumentando a latência da mesma. Vale lembrar que para implementação de uma solução MIMO em empreendimentos de porte médio, tem-se um incremento de investimento de aproximadamente 1,6 vezes do valor de um projeto SISO, ou seja, a recomendação seria de uso do MIMO somente para ambientes de grandes demandas de taxas/capacidade, cobertura e qualidade ótimos. Já a técnica SISO seria indicada para ambientes que não necessitam de taxas/capacidade tão altas e níveis médios de cobertura e qualidade, de modo que assim haja um balanceamento entre custo, melhor desempenho e experiência dos usuários. Fernando Lopes Cavalcanti Sales nasceu no Rio de Janeiro, RJ, em 12 de março de Possui o título de Engenheiro Eletricista com ênfase em Telecomunicações pelo CEFET-RJ. De 2004 a 2009 trabalhou na empresa TIM onde desempenhou funções de engenheiro de radiofreqüência de rede GSM, UMTS e LTE. De 2009 a 2011 trabalhou na empresa CLARO onde desempenhou função de Especialista de Rede de Acesso com foco em soluções de aumento de capacidade de rede UMTS e LTE, elaboração de documentação técnica e de projetos Indoor. Desde 2011 trabalha no setor de planejamento de rede de acesso da operadora VIVO com foco no dimensionamento de capacidade, atendimento a grandes eventos, projetos de sinergia como ransharing (Moran ou Mocn) e features e parâmetros de rede avançados para aumento de qualidade e capacidade das redes UMTS e LTE. Daniel Andrade Nunes nasceu em Santa Rita do Sapucaí em 1973, formado como Técnico em Eletrônica na Escola Técnica de Eletrônica Francisco Moreira da Costa em 1992 e graduado em Engenharia elétrica em 1998 pelo INATEL Instituto Nacional de Telecomunicações. Obteve o grau de Mestre em Telecomunicações, também pelo INATEL em agosto de Trabalhou 5 anos na multinacional Ericsson como instrutor técnico e gerente de projetos principalmente na área de sistemas celular no planejamento, otimização e desenvolvimento de cursos para sistemas AMPS, DAMS, CDMA e GSM em 10 países da America latina, Estados Unidos e Europa. Atualmente é professor de matérias relativas a comunicações móveis e transmissão digital no programa de Graduação do INATEL, ministra matérias referentes às tecnologias GSM, WCDMA, LTE, WiMAX, WiFI, XDSL e DocSYS no programa de Pós Graduação do Inatel além de já ter ministrado diversos cursos nas áreas de planejamento e otimização para sistemas GSM, WCDMA, WiFI e WiMAX pelo ICC Inatel Competence Center. REFERÊNCIAS [1] KUNHN,Volker.Wireless Comunications over MIMO channels: Applications to CDMA and Multiple Antenna Systems.The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex Po198sq, England: John Wiley & Sons Ltd, p [2] Biglieri Ezio, Constantinides Anthony, Goldsmith Andrea,Paulraj Arogyaswami, and Poor H. Vicent, MIMO wireless Communications, Cambridge,UK. [3] Wubben D, Bohnke R, K uhn V and Kammeyer KD 2004b Near- Maximum-Likelihood Detection of MIMO Systems using MMSE-Based Lattice Reduction. IEEE International Conference on Communications (ICC 2004), Paris, France [4] Yair Shapira, IMSinformation Symposium, The Challenge & opportunity of providing Im-Building coverage based on Multiple Antenna Technologies